蒸发效应与热毛细对流耦合现象的实验研究

实验研究了矩形液池中蒸发薄液居中蒸发效应与热毛细对流的耦合机理. 对于单纯的热毛细对流稳定性从实验和理论上已有深入研究,但目前国际上对带有菇发界面的热毛细对流问题尚缺乏研究. 特别是近来的研究发现,气液界面的蒸发对热毛细对流稳定性有很大的影响. 本实验以温度为主要控制参数,测量了不同工况下蒸发界面不同点的蒸发速率和表层温度,并利用 PIV 方法分析得到了液体内的嘛场分布. 实验结果发现,随着沿界面的温差增加,蒸发液体内的流型从稳定的单涡胞结构变为稳定的多祸胞结构,并最终演变为紊流结构. 综合分析以上测量结果并与理论分析结果进行了比较。      

微重力环境下蒸发液层热毛细对流的数值模拟

提出了一种新模型来研究由单一物质构成的液层在其纯蒸气中的蒸发.液层置于微重力环境中并且受到水平方向温度梯度的作用,液层的热毛细对流和蒸发耦合在一起,使得气液界面的传热传质规律更加复杂.用理论分析的方法求解了不考虑热毛细效应的纯蒸发模型,得出温度场分布和界面质量流量的解析表达式.对于热毛细对流和蒸发耦合情况,采用有限差分的投影算法同时求解Navier-Stokes方程和能量方程,得到了不同蒸发Biot数和Marangoni数下流场和温度场的稳态数值解.论述了蒸发Biot数和Marangoni数对界面传热传质的影响,提出并解释了蒸发和热毛细对流耦合的三种模式.      

环形浅液池内低Prandtl数流体超临界热毛细对流演化

为研究低Prandtl数（Pr）流体热毛细对流演化过程，对环形浅液池内Pr=0.011的流体热毛细对流进行三维数值模拟.研究发现:当Marangoni数较小时，流动为轴对称稳态流动；当Marangoni数超过某一临界值后，流动失稳并转变为热流体波，其波数随Marangoni数增加而减小，而波动主频增大；随着Marangoni数增加，流动加强，沿周向运动的热流体波演变为沿径向运动的径向波，其波数大大减小；当Marangoni数继续增加时，波动频谱曲线噪声增加，呈广谱特性.因此，在计算范围内热毛细对流的演化过程为:轴对称稳态流动-热流体波-单周期径向波-多周期三维振荡流动.      

池沸腾现象中热毛细对流的成因

针对微重力条件下单组份液体池沸腾现象,探讨了有关热毛细效应作用及其成因的不同观点,指出正确描述气液相变界面两侧的温度关系是解决争议的关键.详细评述了现有的气液相变界面温度模型,发现气液相变的非平衡特征会导致气液界面上产生温度梯度,引起表面张力的显著差异,从而驱动热毛细对流的形成.但现有气液相变界面温度模型机理差异迥然,预测结果也差别很大,因此,需要更深入研究.      

热毛细效应对细丝薄膜流动不稳定性的影响

根据重力与热毛细力耦合作用薄膜在细丝上的流动情况,采用长波近似推导了界面的演化方程.通过色散关系分析热毛细作用对Rayleigh-Plateau稳定性的影响;通过时空模式的稳定性分析,研究了系统的绝对对流不稳定性特性;通过直接数值模拟,研究了薄膜破裂和绝对对流稳定性的关系.      

相变材料熔化过程中自然对流振荡现象数值计算研究

为了解自然对流对相变材料熔化过程的影响,对相变材料液相区自然对流振荡现象进行了研究,建立了固/液相统一的控制方程,采用焓-孔隙度法和Boussinesq假设,模拟了重力条件下熔化过程,结果表明:当瑞利数(Ra)较小时,液相自然对流具有稳定解,随着Ra数增大,自然对流从稳定流动向周期振荡过渡。     

平板型MLHP温度波动研究

环路热管(Loop Heat Pipe,LHP)是一种靠蒸发器的毛细芯产生毛细力驱动回路运行,利用工质相变来传递热量的高效传热装置。研制了一套平板式蒸发器、风冷式冷凝器的小型环路热管(MLHP),MLHP的毛细芯为500目不锈钢丝网,工质为丙酮,蒸发器、冷凝器以及所有管路均由紫铜制成。主要研究了平板型MLHP在不同热负荷条件下的温度波动特性,并重点研究了倾角以及充灌量等对MLHP系统温度波动的影响,且给出相应的合理解释。实验结果表明,平板式MLHP在2~3W/cm2热流密度区间范围内容易发生温度波动。     

微重力条件下悬浮区中的Marangoni对流

本文研究微重力条件下悬浮区中的表面张力梯度驱动对流。采用有限元方法数值研究二维、轴对称悬浮区中的定常流动和温度分布,讨论P_r数及自由面上散热条件的影响。计算表明,P_r数(M_α数)增大时,流区大部分自由表面上温度梯度减小,流区流速较小,对流热输运较扩散效应增强。只要能维持自由面上一定的温度梯度,在较大的P_r数(M_α数)时,仍能得到收敛的定常解。     

环路热管温度波动现象的实验分析

对实验中观察到的环路热管温度波动现象进行了描述和解释.实验发现,较小热载荷和较大热载荷下环路热管容易出现温度波动现象.对于蒸发器充满液体的启动情况,小热载荷启动容易出现毛细芯内的工质蒸发现象,芯内蒸发继而引起冷凝器入口处的温度波动,并且最终导致可变热导区的稳态工作温度偏高.冷凝器出口处的温度波动现象产生的原因是工质充装量和储液器容积的不匹配,冷凝器出口的温度波动可以通过对工质充装量的控制来避免.     

热毛细液层非模态稳定性分析

利用非模态稳定性方法研究了亚临界情况下的热毛细液层对初始扰动和外加激励的敏感性.通过瞬态增长函数和反馈函数分别反映流场对初始扰动和外加激励的放大.研究结果表明, 小Prandtl数(Pr)下的亚临界流动对初始扰动和外加激励均十分敏感,最大扰动放大与Reynolds数(Re)的平方近似成正比.在大Pr下,只有回流的亚临界...     

纵向非均匀多孔介质Marangoni对流不稳定性

理论研究了纵向非均匀多孔介质中流体表面张力驱动的对流不稳定性.充满液体的多孔介质层从下方加热,上方自由表面冷却,形成可引起多孔介质液层Marangoni-Benaxd对流流动的纵向温度梯度.采用线性化的Brinkman-Forchheimier方程作为控制方程组,对孔隙率分别为线性函数、正弦三角函数分布的非均匀多孔介质液层的Marangoni-Benaxd问题进行了线性稳定性分析.通过采用Chebyshev-Tau谱方法求解广义特征值问题,得到了系统临界Maxangoni数随无量纲波数变化的中性稳定性曲线,分析和比较了孔隙率的变化对液层对流稳定性和流场结构的影响,获得了纵向非均匀多孔介质液层不稳定性现象的新特征.      

Attempt to study Marangoni flow of low-Pr-number fluids using a liquid bridge of silver

In order to experimentally investigate the Marangoni flow of low-Prandtl-number fluids in a liquid bridge geometry under the condition of small Marangoni numbers close to the critical Marangoni numbers Ma_c1 and Ma_c2, the formation of a liquid bridge of silver was attempted. The available temperature difference between the upper and lower rods to obtain a small Marangoni number, such as Ma = 50, was calculated for a 5 mm high liquid bridge for several molten metals. For molten silver, the possible temperature difference was estimated to be 16 K, whereas, for molten silicon, this was 0.38 K, which is unrealistic for the purposes of experiments. For silver, a free surface can be obtained in the wide range of oxygen partial pressures, whereas, for molten silicon, the available oxygen partial pressure range is very small; equilibrium oxygen partial pressure for SiO₂ formation is as low as 1.1 × 10⁻¹⁴ Pa. A liquid bridge of molten silver was successfully prepared and temperature oscillation was observed; the estimated Marangoni number was 160 and oscillation frequency was 0.26 Hz.     

半浮区液桥自由面振荡特征

使用一套双路同步显微放大录像及图像处理系统,研究了夹角为90°的两个竖直剖面沿轴向不同高度液桥自由表面的位移振荡,得到轴向不同高度上的环向相位差,观测到在振荡周期内液桥表面轮廓线在不同时刻均不相交的特点。实验结果表明,液桥自由面振荡除具有径向扰动及轴向振荡变化外,还存在环向波动变化。根据实验结果,讨论了环向波动基本变化规律以及本实验在测量精度和测量误差方面存在的问题。     

Marangoni and buoyant convection in an open cavity under reduced and under normal gravity

We give the first full analysis of the microgravity experiment MKB ( arangoni onvektion im offenen oot) conducted on board of the space shuttle during the D1-mission in 1985, together with that of some ground based experiments on thermocapillary flow in a rectangular liquid volume with free upper surface. Streamlines and velocity profiles under μ-g and l-g are presented and discussed. Strong thermocapillary flow was observed under μ-g after the rupture of a dirt-film suppressing surface tension forces. The Nusselt-number under microgravity due to thermocapillary flow for Ma = 4.6 · 10⁵ is at least Nu = 6 ± 1. Under l-g a separation of the surface tension driven convection roll of hot fluid circulating on top of colder fluid was found for large Ma. The coupling and decoupling of buoyant and thermocapillary forces has been further studied in an experiment varying the temperature gradient along the free surface independently from that in the bulk fluid.     

30°预旋进气旋转盘流动与换热特性的实验

用实验的方法对具有30°预旋进气的旋转盘附近冷气流动与换热特性进行了研究,得到了静 盘表面压力、转盘表面温度、局部努赛尔特数的分布及平均努赛尔特数的变化.结果显示静 止盘罩表面的压力随着半径的增加而增加,随转速的增加而增加.转盘表面的局部努赛尔特 数在r＜0.7R的区域基本不变, r＞0.7R的区域里, 局部努赛尔特数随r的增加而增大.该预旋 角情况下,进气雷诺数对盘面平均努赛尔特数的影响大于旋转雷诺数.     

Hydrothermal instability of thermocapillary convection in large-Prandtl-number liquid bridges under microgravity

Linear stability analysis was performed to study the mechanism of transition of thermocapillary convection in liquid bridges with liquid volume ratios ranging from 0.4 to 1.2, aspect ratio of 0.75 and Prandtl number of 100. 2-D governing equations were solved to obtain the steady axi-symmetric basic flow and temperature distributions. 3-D perturbation equations were discretized at the collocation grid points using the Chebyshev-collocation method. Eigenvalues and eigenfunctions were obtained by using the Q–R method.The predicted critical Marangoni numbers and critical frequencies were compared with data from space experiments. The disturbance of the temperature distribution on the free surface causes the onset of oscillatory convection. It is shown that the origin of instability is related to the hydrothermal origin for convections in large-Prandtl-number liquid bridges.     

Natural convection driven by buoyancy and surface tension forces under external magnetic field

Two-dimensional natural convection driven both by buoyancy and surface tension in the horizontal layer of an electrically conducting liquid which is subjected to a horizontal temperature gradient and a vertical magnetic field is studied theoretically. The flow and temperature distribution in the liquid layer is analysed for two cases; (1) the top surface is free and the bottom is a rigid wall, and (2) both surfaces are rigid. The effect of the magnetic field on the flow velocity and the temperature distribution is made clear and the simple expressions are obtained for two extreme cases of the sufficiently large magnetic field and the small magnetic field.     

会切磁场推力器低频振荡特性

针对会切磁场推力器的低频振荡特性,将推力器的工作模式分为高电流模式和低电流模式,在此基础上研究了低频振荡随工作参数和磁场位形的变化特性,并针对推力系统外回路对低频振荡的影响进行了研究。结果表明,在高质量流量下,随着放电电压的增加,会切磁场推力器的工作模式从高电流模式转换为低电流模式。在高电流模式下,放电电流具有高振幅、低频率的特征,羽流比较模糊,并且电流振荡幅值随着放电电压增大呈先增大后降低的趋势,而对应的振荡频率随着放电电压的增大而增大。在低电流模式下,放电电流具有低振幅、高频率的特征,羽流有两条明显的亮线,并且电流振荡幅值和频率均随放电电压的增大而增大。在不同工况下,随着质量流量增大,放电电流振荡幅值和频率均呈现增大的趋势。研究还发现,外回路中的电阻和电感对低频振荡起到一定的抑制作用,而电容对低频振荡的影响并不明显。